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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Walze gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1. Eine solche Walze ist aus der
WO 95/33932 A1 bekannt.
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Walzen
der vorgenannten Art kommen beispielsweise in Walzenmühlen zum
Einsatz. Sie dienen insbesondere zum Mahlen oder auch zum Desagglomerieren
unterschiedlicher Materialien, um für nachfolgende Prozeßschritte
definierte Ausgangsbedingungen zu schaffen. Die Walzen können entweder mit
einem definierten Abstand zu beispielsweise einer anderen Walze
angeordnet sein, so daß ein
definierter Mahl- bzw. Walzenspalt entsteht, oder sie können spaltfrei
gegeneinander gepreßt
sein.
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Seit
langem ist bekannt, daß es
im Betrieb solcher Walzen zu einer gewissen Walzendurchbiegung kommt,
d. h. der Walzenspalt ist im Betrieb über die Länge der Walze nicht konstant.
Typischerweise ist die Durchbiegung in der Mitte einer Walze am größten. Diese
Walzendurchbiegung ist unerwünscht,
denn sie führt
zu einer Abweichung von den vorgegebenen Betriebsparametern und
damit zu einer größeren Schwankungsbreite
der Eigenschaffen des mit einer Walze behandelten Materials.
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Zur
Beseitigung dieses Problems sind viele Lösungen vorgeschlagen worden.
Beispielsweise können
sogenannte bombierte Walzen verwendet werden. Die Form dieser Walzen
ist so berechnet, daß sie
unter den gewünschten
Betriebsbedingungen einen über
die gesamte Länge
der Walze konstanten Mahlspalt aufweisen. Nachteilig ist, daß eine bombierte
Walze nur auf bestimmte Betriebsbedingungen hin optimiert sein kann,
so daß bei
anderen Betriebsbedingungen nach wie vor eine Walzendurchbiegung
bzw. ein ungleichmäßiger Mahlspalt auftritt.
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Auch
bekannt sind sogenannte durchbiegungssteuerbare Walzen. Bei diesen
wird mittels aufwendiger konstruktiver und steuerungstechnischer Anordnungen
die im jeweiligen Betriebszustand auftretende Walzendurchbiegung
ausgeglichen, indem beispielsweise mittels Hydraulikdruck Stützelemente gegen
den Innenumfang einer Hohlwalze gedrückt werden. Hingewiesen sei
in diesem Zusammenhang beispielshalber auf die
EP 0 451 470 A2 , die
EP 0 482 318 A1 und
die
EP 0 021 297 A1 .
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Des
weiteren ist es bekannt, die Walzen mittels eines Wärmeträgermediums
zu kühlen
oder zu heizen. Die
DE
42 05 167 A1 beschreibt eine als Wärmetauscher dienende Walze
mit einem Biegelinienkompensator. Aus der eingangs bereits genannten
WO 95/33932 A1 ist
bekannt, zwischen einem Walzenkern und einem Walzenmantel ringförmige Federelemente
anzuordnen. Gemäß einer
Alternative können
die Federelemente auch die Form von Längsrippen haben.
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Aus
der
DE 27 07 907 A1 ist
eine gekühlte Walze
bekannt. Um ein Verbiegen der Walze zu verhindern, zu dem es bei
mit durchfließendem
Wasser gekühlten
Walzen herkömmlicher
Weise kommen kann, wird bei der in der
DE 27 07 907 A1 offenbarten,
gekühlten
Walze das Kühlmittel
zunächst
durch den hohl ausgebildeten Walzenkern axial bis in die Mitte des
Kerns geleitet. Von dort aus gelangt das Kühlmittel durch Verteilerbohrungen
an die Kernoberfläche,
auf der sich wendelförmig
verlaufende Kühlmittelkanäle befinden,
die spiegelsymmetrisch zur Kernmitte angeordnet sind und sich ausgehend von
der Kernmitte zu den Enden der Kernoberfläche erstrecken. An den Kernenden
wird das Kühlmittel von
Sammelbohrungen aufgenommen, die es wieder zurück in den inneren Hohlraum
des Kerns führen, von
wo aus das Kühlmittel
dann abgeleitet wird. Die Kühlmittelkanäle auf der
Kernoberfläche,
die durch wendelförmig
verlaufende Stege gebildet sind, verlaufen unter einem Winkel von
etwa 80 Grad zur Walzenlängsachse.
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Aufgabenstellung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Walze mit einem nicht
gesteuerten, passiven Durchbiegungsausgleich anzugeben, deren Gebrauchseigenschaften
verbessert sind.
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Ausgehend
von dem eingangs genannten Stand der Technik ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß die
Federelemente, die zwischen dem Walzenmantel und dem Walzenkern
angeordnet sind die Gestalt von auf dem Walzenkern befestigten,
durchgängigen
wendelförmigen
Federstegen haben, die unter einem Winkel von wenigstens 10 Grad
bis etwa 30 Grad zur Walzenlängsachse
verlaufen und daß der
Mantel kraftschlüssig
mit den Federstegen verbunden ist. Anders als Längsrippen führen die wendelförmigen Federstege
zu einer erheblich gleichmäßigeren
Abstützung
des Walzenmantels, denn es ist über
die Länge
der Walze unabhängig
von deren Drehstellung immer eine im wesentlichen gleiche Anzahl
von Abstützstellen
vorhanden. Bei einer Längsrippe
hingegen findet entweder eine Abstützung auf der gesamten Länge der
Walze statt, nämlich
dann, wenn die Längsrippe
sich unterhalb der Berührungslinie
der Walze befindet, oder es findet gar keine direkte Abstützung statt,
dann nämlich,
wenn die Berührungslinie
der Walze sich zwischen zwei benachbarten Längsrippen befindet. Die wendelförmigen Federstege
bieten trotz der gleichmäßigen Abstützung des
Walzenmantels, die in etwa mit der Abstützung vergleichbar ist, wie
sie mit den aus der
WO
95/33932 A1 bekannten ringförmigen Federelemen ten erzielt
wird, beste Voraussetzungen für
die Durchströmung
eines Wärmeträgerfluides, denn
zwischen je zwei benachbarten wendelförmigen Federstegen ergeben
sich Kanäle,
durch die ein Wärmeträgerfluid
ohne Strömungsumlenkung
geführt
werden kann. Hinzu kommt, daß die
wendelförmigen
Federstege im Betrieb, d. h. bei einer Drehung der Walze, eine Pumpwirkung
auf das Wärmeträgerfluid
ausüben,
so daß abhängig vom
Einsatzzweck auf eine separate Pumpe zur Umwälzung des Wärmeträgerfluids verzichtet werden
kann. Insgesamt wird durch die wendelförmigen Federstege eine über die
Länge der
Walze gleichmäßigere Kühlung bzw. Erwärmung erreicht,
was nicht nur der Lebensdauer des Walzenmantels zugute kommt, sondern
auch die Qualität
des behandelten Produktes fördert.
Die kraftschlüssige
Verbindung des Mantels mit den Federstegen bedeutet, daß die von
den Federstegen auf den Mantel ausgeübten Kräfte dazu ausreichen, eine Drehbewegung
des Walzenkerns auf den Walzenmantel zu übertragen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Walze
ist an jedem Ende des Walzenkerns ein federstegfreier Abschnitt
vorhanden. Diese federstegfreien Endabschnitte haben auf die Gleichmäßigkeit
der Abstützung
des Walzenmantels keinen spürbaren
Einfluß,
ermöglichen
jedoch auf vorteilhafte Weise die Zu- und Abfuhr des Wärmeträgerfluides.
So bildet gemäß einer
Ausführungsform der
eine federstegfreie Endabschnitt des Walzenkerns zusammen mit dem
Walzenmantel einen Verteilerraum für das Wärmeträgerfluid, d. h. das Wärmeträgerfluid
wird in diesen Verteilerraum eingespeist und verteilt sich von dort
auf die Kanäle
zwischen den Federstegen, während
der federstegfreie Abschnitt am anderen Ende des Walzenkerns zusammen
mit dem Walzenmantel einen Expansionsraum für das Wärmeträgerfluid bildet, aus dem letzteres
abgeführt
wird. Dieser Expansionsraum sorgt für eine Strömungsberuhigung und verhindert
eine Pulsation des Wärmeträgerfluids.
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Gemäß einer
konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltung ist der Walzenkern der erfindungsgemäßen Walze
mit einem inneren, zumindest an einem Walzenende offenen Hohlraum
versehen, der durch erste Verbindungskanäle mit dem zuvor genannten Verteilerraum
und durch zweite Verbindungskanäle mit
dem Expansionsraum für
das Wärmeträgerfluid verbunden
ist. Das Wärmeträgerfluid
kann bei dieser Ausführungsform
durch die Achse der Walze dem genannten Hohlraum zugeführt werden,
strömt
dann durch die ersten Verbindungskanäle in den Verteilerraum, von
dort durch die Kanäle
zwischen den wendelförmigen
Federstegen zum Expansionsraum und dann durch die zweiten Verbindungskanäle wieder zurück in den
inneren Hohlraum des Walzenkerns, aus dem das Wärmeträgerfluid dann abgeführt wird. Der
Zu- und Abfluß des
Wärmeträgerfluides
in den Hohlraum ist dabei voneinander zu trennen, jedoch läßt sich
dies einfach erreichen, beispielsweise mittels zweier konzentrisch
zueinander angeordneter Leitungen.
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Die
wendelförmigen
sind Federstege vorzugsweise kraftschlüssig mit dem Walzenkern verbunden.
Beispielsweise können
die wendelförmigen Federstege
Teil einer Hülse
sein, die an dem Kern befestigt ist. Diese Hülse kann z. B. auf den Walzenkern
aufgeschrumpft oder aufgegossen sein, alternativ kann sie aber auch
mit anderen Mitteln am Walzenkern befestigt werden. Vorzugsweise
sind bei einer Ausführungsform
mit einer Hülse
die Federstege einstückig
mit dieser Hülse
ausgebildet. Wird als Material für
die Federstege ein Kunststoff verwendet, läßt sich ein solches hülsenförmiges Teil
mit den daran ausgebildeten wendelförmigen Federstegen kostengünstig durch
Gießen
fertigen.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Walze
ist jeder Federsteg formschlüssig
mit dem Walzenkern verbunden, insbesondere mittels einer zugehörigen, im
Walzenkern ausgebildeten Schwalbenschwanznut.
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Die
Neigung der wendelförmigen
Federstege zur Walzenlängsachse,
die wenigstens etwa 10 Grad betragen soll, liegt vorzugsweise in
einem Bereich von 10 bis 30 Grad. In diesem Bereich besteht ein ausgewogenes
Verhältnis
zwischen gleichmäßiger Abstützung des
Walzenmantels durch die Federstege und guter Pumpwirkung.
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Obwohl
die wendelförmigen
Federstege erfindungsgemäß aus jedem
federnd elastischen Material bestehen können, bestehen sie vorzugsweise aus
Polyurethan mit einer Härte
im Bereich von 80 bis 90 Shore.
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Ausführungsbeispiel
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Zwei
Ausführungsbeispiele
einer erfindungsgemäßen Walze
werden im folgenden anhand der beigefügten, schematischen Figuren
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Walze,
wobei der Walzenkern ungeschnitten und der Walzenmantel im Längsschnitt
wiedergegeben sind,
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2 die
Ansicht gemäß 1 im
Längsschnitt,
und
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3 einen
Ausschnitt aus einer Walze gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
im Querschnitt.
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Die 1 und 2 zeigen
eine hier als Glattwalze ausgebildete Walze 10 zum Vermahlen oder
Desagglomerieren. Die Walze 10 umfaßt einen steifen, hohlzylindrischen
Kern 12, der mittels zweier an ihm befestigter Flansche 14 drehbar
gelagert werden kann (nicht dargestellt).
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Auf
dem Kern 12 ist eine Hülse 16 aus
Polyurethan mit einer Härte
von 80 bis 90 Shore durch Aufgießen befestigt. Alternativ kann
die Hülse 16 auch
auf den Kern 12 aufgeschrumpt oder mit dem Kern 12 verklebt
sein. Mit der Hülse 16 einstückig ausgebildet,
d. h. aus dem selben Material wie die Hülse bestehend, ist eine Reihe
von auf der Hülse 16 wendelförmig verlaufender
Federstege 18. Die Federstege 18 stehen radial
von der Hülse 16 hervor und
sind in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander
beabstandet.
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Ein
rohrförmiger
Mantel 20 aus verschleißfestem Material stützt sich über diese
Federstege 18 auf dem Kern 12 der Walze 10 ab.
Der Mantel 20 drückt
die Federstege 18 radial etwas zusammen, derart, daß die von
den Federstegen 18 auf die Innenseite des Mantels 20 übertragenen
Druckkräfte dazu
ausreichen, den Mantel 20 mittels der Federstege 18 kraftschlüssig mit
dem Kern 12 zu verbinden. Somit kommt es im Betrieb der
Walze 10 zwischen dem Mantel 20 und den Federstegen 18 zu
keiner Relativdrehbewegung.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
verläuft
jeder Federsteg 18 unter einem Winkel α von 30 Grad zur Längsachse
A der Walze 10. Je zwei benachbarte Federstege 18 begrenzen
zwischen sich einen ebenfalls wendelförmigen Kanal 22 für Wärmeträgerfluid.
Wie insbesondere aus 1 ersichtlich, reichen die Federstege 18 nicht
ganz bis zum Ende des Kerns 12, sondern es bleibt an jedem
Ende des Kerns 12 ein Endabschnitt 24 federstegfrei.
Zusammen mit dem Mantel 20 begrenzt der in den 1 und 2 linke
federstegfreie Endabschnitt 24 einen Verteilerraum 26 für Wärmeträgerfluid,
während
der in den 1 und 2 rechte federstegfreie
Endabschnitt 24 zusammen mit dem Mantel 20 einen Expansionsraum 28 für das Wärmeträgerfluid
definiert.
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Das
Wärmeträgerfluid,
das je nach Anwendungszweck zur Kühlung oder zur Beheizung der Walze 10 dienen
kann, wird über
eine koaxial zur Walzenlängsachse
A angeordnete Einlaßleitung 30 in
einen inneren Hohlraum 32 des Kerns 12 geführt. Im
Betrieb sollte dieser Hohlraum 32 zur Vermeidung von Unwuchten
vollständig
mit dem Wärmeträgerfluid
gefüllt
sein. Von dem Hohlraum 32 aus gelangt das Wärmeträgerfluid
durch erste Verbindungskanäle 34 in
den Verteilerraum 26, von wo aus es durch die Vielzahl
der Kanäle 22 strömt, die
zwischen den Federstegen 18 begrenzt sind. Im Betrieb der
Walze 10, d. h. bei einer Drehbewegung derselben in Richtung des
Pfeils B, pumpen die wendelförmigen
Federstege 18 das Wärmeträgerfluid
vom Verteilerraum 26 zum Expansionsraum 28, wodurch
der Mantel 20 gekühlt
bzw. beheizt wird. Im Expansionsraum 28 beruhigt sich die
Wärmeträgerfluidströmung und
das Wärmeträgerfluid
kann ohne Pulsation durch zweite Verbindungskanäle 36 aus dem Expansionsraum 28 zurück in den
Hohlraum 32 fließen.
Von dort wird es durch eine konzentrisch zur Einlaßleitung 30 angeordnete
Auslaßleitung 38 abgeführt. Eine
Trennwand 40 verhindert, daß das durch die Einlaßleitung 30 einströmende Wärmeträgerfluid
sich mit dem Wärmeträgerfluid
vermischt, das durch die zweiten Verbindungskanäle 36 zurück in den
Hohlraum 32 strömt. Dichtungen 42 sorgen
dafür,
daß kein
Wärmeträgerfluid
zwischen den Flanschen 14 und dem Mantel 20 der
Walze 10 austreten kann.
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Die
Federstege 18 haben vorzugsweise eine Höhe von etwa 10 bis 15 mm, eine
Breite von etwa 8 bis 10 mm, und einen Abstand voneinander von etwa 50
bis 60 mm. Ersichtlich muß der
Federweg, den die Federstege 18 in radialer Richtung erlauben,
größer sein
als die zu erwartende Durchbiegung der Walze 10. Dies läßt sich
durch eine geeignete Dimensionierung und Materialauswahl der Federstege 18 erreichen.
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3 zeigt
ein alternatives zweiten Ausführungsbeispiel,
bei dem die Federstege 18 nicht an einer Hülse 16 ausgebildet
sind, sondern jeder für
sich in einer zugehörigen
Schwalbenschwanznut des Kerns 12 befestigt sind. Die Funktion
des zweiten Ausführungsbeispiels
unterscheidet sich nicht von der des ersten Ausführungsbeispiels.
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Die
Federstege 18 bestehen in den beiden beschriebenen Ausführungsbeispielen
aus einem Material, welches selbst federnd elastische Eigenschaften
hat. Dies ist jedoch nicht zwingend. Bei anderen, hier nicht dargestellten
Ausführungsformen
ist das Material der Federstege selbst nicht oder kaum federnd elastisch;
die federnden Eigenschaften werden den Federstegen statt dessen
durch separate Federelemente verliehen, die sich am Kern 12 abstützen. Als
Federelemente kommen beispielsweise Elastomerelemente oder Schraubenfedern,
aber auch Blattfedern und andere bekannte Federbauarten in Betracht.